FPGA

Ohjelmoitava logiikkapiiri ( FPGA , englanniksi  p rogrammable l ogic d evice , PLD ) on elektroninen komponentti ( integroitu piiri ), jota käytetään konfiguroitavien digitaalisten elektronisten piirien luomiseen . Toisin kuin perinteiset digitaaliset piirit , FPGA:n logiikkaa ei määritetä valmistuksen aikana, vaan se asetetaan ohjelmoinnin ( suunnittelun ) avulla. Ohjelmoijaa ja IDE : tä käytetään ohjelmointiin(virheenkorjausympäristö), joiden avulla voit määrittää digitaalisen laitteen halutun rakenteen piirikaavion tai ohjelman muodossa erityisillä laitteiston kuvauskielillä ( Verilog , VHDL , AHDL ja muut). Vaihtoehto FPGA:lle ovat:

• BMK - perusmatriisikiteet , jotka edellyttävät tehdastuotantoprosessia ohjelmointia varten;
• ASIC  - erikoistuneet mittatilaustyönä tehdyt suuret integroidut piirit (LSI), jotka ovat huomattavasti kalliimpia pienimuotoisessa ja yksiosaisessa tuotannossa;
• erikoistuneet tietokoneet , prosessorit (esimerkiksi digitaaliset signaaliprosessorit ) tai mikro -ohjaimet , jotka toimivat algoritmien toteuttamistavan ohjelmiston vuoksi ovat hitaampia kuin FPGA:t;
• ei-ohjelmoitavat digitaaliset laitteet ja järjestelmät, jotka on konfiguroitu ratkaisemaan ennalta tunnettuja tehtäviä ja jotka on rakennettu niin kutsutun "kovan logiikan" periaatteille.

Jotkut valmistajat tarjoavat FPGA:illeen ohjelmistoprosessoreja , joita voidaan muokata tiettyä tehtävää varten ja sitten integroida FPGA:han. Siten:

• painetun piirilevyn vapaan tilan lisääminen tarjotaan (mahdollisuus pienentää levyn kokoa);
• FPGA-suunnittelu on yksinkertaistettu;
• lisää FPGA:n nopeutta.

Suunnitteluvaiheet

1. Piirikaavion tai ohjelman asettaminen erityisillä laitteiston kuvauskielillä ( Verilog , VHDL , AHDL ja muut).
2. Looginen synteesi syntetisaattoriohjelmia käyttäen ( sähköliitäntöjen luettelon saaminen (tekstin muodossa) abstraktista mallista, joka on kirjoitettu laitteiston kuvauskielellä ).
3. Laitteen piirilevyn suunnittelu tietokoneavusteisella suunnittelujärjestelmällä ( CAD ) painetuille piirilevyille ( Altium Designer , P-CAD ja muut), joka sisältää FPGA-sirun ja muita elektronisia komponentteja (vastuksia, kondensaattoreita, generaattoreita, ADC:itä) , liittimet ja muut).
4. FPGA-määritystiedoston luominen.
5. Määritystiedoston lataaminen FPGA-sirulle tai erilliseen muistisiruun. Latauksen seurauksena FPGA-siru saa määritetyn toiminnallisuuden.

Sovellus

FPGA:ta käytetään laajalti monimutkaisten ja monipuolisten digitaalisten laitteiden rakentamiseen , esimerkiksi:

• laitteet, joissa on suuri määrä I / O-portteja (on FPGA:ita, joissa on yli 1000 lähtöä ("nastat");
• laitteet, jotka suorittavat digitaalista signaalinkäsittelyä (DSP);
• digitaaliset video-äänilaitteet;
• laitteet, jotka lähettävät dataa suurella nopeudella;
• salaustoimintoja suorittavat laitteet , tietoturvajärjestelmät ;
• erityistarkoituksiin tarkoitettujen integroitujen piirien (ASIC) suunnitteluun ja prototyyppiin tarkoitetut laitteet ;
• laitteet, jotka toimivat siltoina (kytkiminä) järjestelmien välillä, joilla on erilainen logiikka ja syöttöjännite;
• neurosirujen toteutukset ;
• laitteet, jotka suorittavat kvanttilaskennan simulaatioita ;
• tutkatietoja käsittelevät laitteet .

FPGA-tyypit

Varhaiset FPGA:t

Vuonna 1970 Texas Instruments (jäljempänä "TI") kehitti IBM:n assosiatiiviseen ROM:iin (ROAM) perustuvia maskettuja (eli ohjelmoitavia maskin avulla, englanninkielisiä maskilla ohjelmoitavia ) integroituja  piirejä ( jäljempänä IC:t) . Tämän sirun nimi oli TMS2000, ja se ohjelmoitiin vuorotellen metallikerroksia IC -valmistusprosessin aikana . TMS2000:ssa oli jopa 17 sisääntuloa ja 18 lähtöä ja muistina 8 JK-kiikkua . Näille laitteille TI loi termin PLA . ohjelmoitava logiikkataulukko  - ohjelmoitava logiikkamatriisi.  

PAL

PAL ( ohjelmoitava array logic ) on  ohjelmoitava logiikkataulukko (matriisi). Neuvostoliitossa PLA ja PLM eivät eronneet toisistaan, ja ne nimettiin PLA: ksi ( ohjelmoitava logiikkamatriisi ) . Ero PLA:n ja PLM:n välillä on sisäisen rakenteen (matriisien) ohjelmoinnin saavutettavuus.

GAL

GAL ( yleinen  array Logic ) ovat FPGA:ita, joissa on ohjelmoitava AND-matriisi ja kiinteä TAI-matriisi.

CPLD

CPLD:t ( eng.  kompleksinen ohjelmoitava logiikkalaite  - kompleksi ohjelmoitava logiikkalaite) sisältävät suhteellisen suuria ohjelmoitavia logiikkalohkoja - makrosoluja , jotka on kytketty ulkoisiin lähtöihin ja sisäisiin väyliin. CPLD-toiminnot on koodattu haihtumattomaan muistiin , joten niitä ei tarvitse ohjelmoida uudelleen, kun ne kytketään päälle. Voidaan käyttää I/O-laajennukseen suurten sirujen vieressä tai signaalin esikäsittelyyn (esim. COM-porttiohjain , USB , VGA ).

FPGA

FPGA ( field-programmable gate array ) sisältää kertolasku-summauslohkoja, joita käytetään laajalti signaalinkäsittelyssä (DSP, eng  . digital signal processing ), sekä loogisia elementtejä (yleensä muunnostaulukoihin perustuvia - totuustaulukoita) ja niiden kytkentälohkoja. . FPGA:ita käytetään tyypillisesti signaalinkäsittelyyn, niissä on enemmän loogisia portteja ja ne ovat arkkitehtuuriltaan joustavampia kuin CPLD:t. FPGA:n ohjelma on tallennettu hajautettuun muistiin, joka voidaan suorittaa sekä haihtuvien staattisten RAM-solujen perusteella (tällaisia ​​mikropiirejä tuottavat esimerkiksi Xilinx ja Altera ) - tässä tapauksessa ohjelmaa ei tallenneta, kun mikropiirin virransyöttö katkeaa, ja perustuu haihtumattomiin flash-muistikennoihin tai sulakkeensuojakytkimiin (tällaisia ​​mikropiirejä valmistavat Actel ja Lattice Semiconductor ) - näissä tapauksissa ohjelma tallennetaan, kun virta katkeaa. Jos ohjelma on tallennettu haihtuvaan muistiin , aina kun mikropiiri kytketään päälle, se on määritettävä uudelleen käynnistyslataimen avulla, joka voidaan myös rakentaa itse FPGA:han. Vaihtoehto FPGA:lle FPGA:t ovat hitaammat digitaaliset signaaliprosessorit. FPGA:ita käytetään myös yleisinä prosessorikiihdyttiminä supertietokoneissa (esimerkiksi Cray XD1 -tietokone , Silicon Graphicsin ("SGI") RASC-projekti) . 

Jotkut maailman FPGA-valmistajista

• Achronix
• Actel
• Altera
• Atmel
• Hilapuolijohde
• Xilinx [1]
• TSMC

Katso myös

• Ohjelmoitava analoginen integroitu piiri
• Käyttäjän ohjelmoitava porttiryhmä
• Oheislaitteiden skannaus
• Järjestelmä sirulla

Muistiinpanot

1. ↑ Slyusar V.I. Piirien kehitys Keski-Afrikan tasavallassa: joitakin tuloksia. Osa 2.// Ensimmäinen mailia. Viimeinen maili (Liite "Elektroniikka: tiede, teknologia, liiketoiminta" -lehdelle). – N2. - 2018. S. 76 - 80. (2018). Haettu 6. huhtikuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 20. kesäkuuta 2018. (määrätön)

Kirjallisuus

• Ugryumov EP Luku 7. Ohjelmoitavat logiikkataulukot, ohjelmoitava matriisilogiikka, perusmatriisikiteet / Digitaalinen piirisuunnittelu. Proc. yliopistojen tuki. Painos 2, BHV-Petersburg, 2004. S. 357.

Linkit

• Kehitysesimerkki WinCuplissa SPLD ATF16V8:ssa .
• Xilinx FPGA -suunnitteluvideo-opetusohjelmat Arkistoitu 2. heinäkuuta 2012 Wayback Machinessa .
• Tunnettujen yritysten FPGA:iden kuvaukset .
• Solovjov V., Klimovich A. " Johdatus FPGA:n yhdistelmäpiirien suunnitteluun Arkistoitu 17. syyskuuta 2011 Wayback Machinessa ".
• " FPGA Design in Altera Quartus II Arkistoitu 20. elokuuta 2013 Wayback Machinessa ".
• Alustat. FPGA-tekniikka ja sen sovellus neurosirujen luomiseen. Arkistokopio päivätty 15. huhtikuuta 2011 Wayback Machinessa .
• V. Steshenko, FPGA:n taajuudensiirtoavainsignaalien digitaalisten demodulaattorien toteuttaminen . Osasto SM5 MSTU im. N. E. Bauman .
• Steshenko V. " Laitteiden kehittäminen digitaaliseen signaalinkäsittelyyn FPGA:lla ".
• Nykyaikaisten FPGA-tietokoneiden ja niiden komponenttien päävalmistajat Arkistoitu kopio 18.8.2021 Wayback Machinessa .